DE3447565C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steueranordnung für einen von einem dreiphasigen Netz gespeisten Direktumrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solcher Direktumrichter ist durch das US-Buch: "Static Power Frequency Changers" von L. Gyugyi und B. R. Pelly, John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto 1976, insbesondere Seite 41, Fig. 1.25 (b) bekannt.

Die Aussteuerung der drei Teilstromrichter erfolgt üblicherweise über einen Drehspannungs-Sollwertgeber. Werden netzseitig symmetrische, 120° lange Stromblöcke geschaltet, ergibt die Analyse der Harmonischen, daß bei einem derartigen Direktumrichter untypische Netzrückwirkungen, nämlich insbesondere durch 2 teilbare Harmonische auftreten. Das ist aus Fig. 1 ableitbar.

Danach ist die Ständerwicklung einer Drehstrommaschine mit den Phasen u, v, w über einen kreisstromfrei arbeitenden Direktumrichter mit einem dreiphasigen Netz R, S, T verbunden. Der Direktumrichter besteht aus drei dreipulsigen Teilstromrichtern 21, 22, 23 (solche weisen grundsätzlich 2. Harmonische als Netzrückwirkungen auf), die jeweils eine Phasenwicklung der Drehstrommaschine über ein antiparallelge­ schaltetes, aus Thyristoren gebildetes Stromrichterventilpaar an die drei Phasenleiter des Netzes R, S, T schalten. Der Direktumrichter weist also lediglich insgesamt 18 Stromrichterventile auf.

Bei symmetrisch ausgesteuerten (sechspulsigen) Brückenschaltungen treten im Gegensatz zu (dreipulsigen) Mittelpunktschaltungen keine geradzahligen Harmonischen im Netz auf. Der funktionsmäßige Aufbau des gezeigten Direktumrichters ist als eine sechspulsige, allerdings unsymmetrisch ausgesteuerte Brückenschaltung denkbar. Wie sich in Fig. 1 zeigt, enthält der Direktumrichter insgesamt eine Sechspuls­ brücke. Allerdings existieren zu einer Stromrichtung durch die Brü­ ckenhälften jeweils einmal eine und zur anderen Stromrichtung stets zwei Brückenhälften, hier also eine obere und zwei unteren Brücken­ hälften. Um den gestrichelt eingezeichneten Gesamtstrom i _ges fließen zu lassen, der sich jeweils zu unterschiedlichen Zeiten aus unter­ schiedlichen Anteilen der Maschinenströme i ₂₁, i ₂₂, i ₂₃ ergibt, müssen die obere und die unteren Brückenhälften unabhängig voneinander ange­ steuert werden. Es treten nicht symmetrisch zueinander liegende posi­ tive und negative Stromblöcke auf, die zu Rückwirkungsströmen geradzah­ liger Vielfacher der Netzfrequenz mit den dazugehörigen Seitenbändern als Modulationsprodukten führen. Da die Amplituden der Ströme indirekt proportional ihrer Ordnungszahl sind, kommt der zweiten Harmonischen besondere Bedeutung zu.

Der in Fig. 1 gezeigte, nur aus 18 Stromrichterventilen aufgebaute Di­ rektumrichter ist nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn es gelingt, die zuvor geschilderten Netzrückwirkungen, also insbesondere die 2. Harmo­ nische, zu mindern bzw. zu eliminieren.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Steueranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch die bei den Netzrückwir­ kungen möglichst nur die typischen Harmonischen auftreten, zumindest aber die 2. Harmonische weitgehend unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Auch durch den Beitrag von E. M. Langham "Cyclo-Converters für 3 Phase Motor Control - A System Using The "Natural" Circulating Current" für die International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives, 1-4 May 1984 der Institution of Electrical Engineers, London ist es für kreisstrombehaftete Direktumrichter bekannt, nur dreipulsige Brücken, also nur 18 Stromrichterventile zu verwenden. Dabei ist je­ doch kein Verfahren angegeben, die Netzrückwirkungen zu optimieren, die sich im Auftreten der untypischen Harmonischen mit entsprechenden Seitenbändern (Modulationsprodukte) äußern.

Durch die DE 29 45 145 A1 ist es ferner bekannt, bei aus sechspulsigen Teilstromrichtern aufgebauten Direktumrichtern durch Variation einer zum symmetrischen Drehspannungsystem überlagerten Gleichspannung (Nullspannung) die vom Netz aufgenommene Blindleistung zu verringern.

Um den Stromrichter zu einem linearen Stellglied zu machen, ist es schließlich bei hochwertigen Anlagen durch die "Technische Mitteilun­ gen AEG-Telefunken 63 (1973) Heft 7, Seiten 257 bis 264 bekannt, einen arc sin-Kennliniengeber in der Steuerung einzusetzen.

Auf vorteilhafte Weise wird durch die von der Steueranordnung nach der Erfindung vorgegebene Stellgröße für die Aussteuerung der einzel­ nen Teilstromrichter die Nullspannung derartig variiert, daß die 2. Harmonische zu Null wird. Mit der Maßnahme nach der Erfindung wird insgesamt das Oberwellenspektrum soweit verbessert, daß die noch auf­ tretenden untypischen Harmonischen verringert sind, während die Ampli­ tuden der typischen Harmonischen entsprechend größer ausfallen. Letz­ tere müssen jedoch in jedem Falle kompensiert werden, so daß insge­ samt weniger Störungen im Netz auftreten. Durch den Einsatz der Steuer­ anordnung nach der Erfindung erscheint als zusätzlicher Effekt der Strom auf der Maschinenseite des Direktumrichters höherpulsig, weil die Zündimpulse gleichmäßiger verteilt sind. Der maschinenseitige Strom ist damit stärker geglättet.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß durch die nicht verbundenen Sternpunkte der Drehstrommaschine und des Direktumrich­ ters ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Aussteuerung der Strom­ richterventile der Teilstromrichter über die auftretende Spannungs­ differenz (Nullspannung) zwischen den Sternpunkten gegeben ist. Infol­ ge der offenen Sternpunktverbindung tritt kein Nullsystem im Strom auf, d. h. die Stromzeitflächen negativer und positiver Stromblöcke sind gleich. Das Nullsystem der Spannung dient durch Veränderung der Aussteuerung und damit des Zündwinkels der Verschiebung der Strom­ blöcke im Netz. Durch Variation der Nullspannung über die Steuer­ anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß der Schwerpunkt eines positiven Stromblocks symmetrisch zu dem des zugehörigen negativen Stromblocks liegt. Infolge der gleichgroßen Stromzeitflächen läßt sich damit insbesondere - wie angestrebt - die 2. Harmonische im Netz­ strom vermindern.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausfüh­ rungsbeispiel beschrieben werden.

Es zeigt

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Steueranordnung nach der Erfindung zur Symmetrierung des Netzstromes zwecks Vermeidung der 2. Harmonischen und

Fig. 3 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der 2. Harmonischen und einer zum Fourierkoeffizien­ ten proportionalen Funktion.

Gemäß Fig. 2 werden auf die Netzspannung u ₁ bezogene, gewünschte Sollwertspannungen u ₂₁, u ₂₂, u ₂₃ für die einzelnen Teilstromrichter 21, 22, 23 in bekannter Weise über einen arc sin-Kennliniengeber 1 linea­ risiert und als Signele β ₁, b ₂, β ₃ zur Aussteuerung der jeweiligen Teilstromrichter 21, 22, 23 zur Verfügung gestellt. Der übliche Zünd­ winkel α für die Stromrichter ist über die Beziehung 90° - β gegeben. In der weiteren Beschreibung werden die Signale β jedoch wegen des besseren Verständnisses verwendet.

Jedes Signal β ₁, β ₂, β ₃ wird einem Kennliniengeber 2 zugeführt. Dieser Kennliniengeber 2 ist so eingestellt, daß er aus der Abweichung der Aussteuerung β ₁, β ₂, β ₃ von der Aussteuerung β = 0 jedes Einzelstrom­ richters 21, 22, 23 die Abweichung der Amplitude der 2. Harmonischen von derjenigen Amplitude bei der Aussteuerung Null (d. h. die Amplitude der 2. Harmonischen des entsprechenden Stromrichters für den Fall, daß in den beiden anderen Teilstromrichtern in umgekehrter Richtung Strom fließt, und daß diese mit Null ausgesteuert werden) bereit­ stellt. Dieser kennlinienmäßige Zusammenhang ist zum Beispiel rech­ nerisch aus der Analyse der Harmonischen über das entsprechende Fourier- Integral oder durch entsprechende Messungen herleitbar. Am Ausgang des Kennliniengebers 2 steht mithin ein modifiziertes Signal an, das der jeweiligen Amplitude der 2. Harmonischen entspricht.

Jedes modifizierte Signal wird dann mit einem Signal entsprechend dem Absolutwert des durch den betreffenden Teilstromrichter 21, 22, 23 fließenden Stromes i ₂₁, i ₂₂, i ₂₃ in einem Multiplizierer 31, 32 oder 33 multipliziert. Die Summe der Produkte (d. h. die Summe der 2. Harmo­ nischen) soll entsprechend der zu lösenden Aufgabe Null ergeben. Zu diesem Zweck wird diese Summe dann einem Regelverstärker 4 zugeführt, dessen Ausgangssignal der auf die Netzspannung u ₁ bezogenen Nullspan­ nung u ₂₀ entspricht, die zur Aussteuerung der einzelnen Teilstrom­ richter 21, 22, 23 beiträgt.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannung u ₁ einer Netzphase und der zugehörige Stromverlauf i ₁ für den Fall der Aussteuerung Null (β = 0 bzw. α = 90°) eingezeichnet. Weiterhin ist eine im Stromblock enthaltene 2. Harmonische als Strom i _z (mit normierter Amplitude) ebenfalls über der Zeit t aufgetragen. Der Anteil der 2. Harmonischen im Netzstrom i ₁ wird entsprechend dem Fourier-Integral als Integral des Produktes i _z × i ₁ über eine Periode der Netzspannung ermittelt. Werden positive und negative Stromblöcke um gleiche Winkel β (bzw. α) verschoben, bleibt der Wert des Integrals Null. Hier wird jedoch an­ genommen, daß die Blöcke um unterschiedliche Winkel β (bzw. α) ver­ schoben werden. Für den Fall, daß der untere Block (negativer Strom) bei β = 0 bleibt und nur der obere verschoben wird, gibt die Funk­ tion i _F den Wert der 2. Harmonischen in Abhängigkeit vom Winkel β an. Die Kennlinie i _F (β) entsprechend dem Kennliniengeber 2 in Fig. 2 gibt also nur den Teil der 2. Harmonischen an, der sich durch Verschie­ ben aus der Nullage (β = 0) ergibt.

Eine Vereinfachung des Verfahrens kann darin bestehen, die Amplitude der Nullspannung direkt auszurechnen. Die Frequenz der Nullspannung ist die dreifache Netzfrequenz, und die Kurvenform ist in guter Nähe­ rung sinusförmig.

Claims (1)

1. Steueranordnung für einen von einem dreiphasigen Netz gespeisten Di­ rektumrichter mit neun bidirektionalen elektronischen Schaltern, der aus drei dreipulsigen Teilstromrichtern besteht und der eine drei­ phasige Last kreisstromfrei speist, dadurch gekennzeichnet,
   daß bei Verwendung eines arc sin-Kennliniengebers (1), der Signale (β ₁, b ₂, β ₃) für die Aussteuerung des jeweiligen Teilstromrich­ ters (21, 22, 23) aus auf die Netzspannung (u ₁) bezogenen sinus­ förmigen Sollwertspannungen (u ₂₁, u ₂₂, u ₂₃) für die Teilstrom­ richter (21, 22, 23) bildet,
   daß die Aussteuersingale (b ₁, β ₂, β ₃) einem weiteren Kennliniengeber (2) zugeführt werden, der aus den Abweichungen der Aussteuersi­ gnale (b ₁, β ₂, β ₃) vom Steuerwinkel für die Aussteuerung Null Signale bildet, die den Abweichungen der Amplituden der zweiten Harmonischen von der derjenigen Amplitude bei der Aussteuerung Null entsprechen,
   daß die den Amplituden der zweiten Harmonischen entsprechenden Si­ gnale jeweils mit den Beträgen der Phasenströme (i ₂₁, i ₂₂, i ₂₃) multipliziert und die resultierenden Produktsignale summiert werden und
   daß das Summensignal über einen Regelverstärker (4) als auf die Netz­ spannung (u ₁) bezogene Nullpunktspannung (u ₂₀) den sinusförmigen Sollwertspannungen (u ₂₁, u ₂₂, u ₂₃) hinzuaddiert wird.